[논문 리뷰] Black Holes and Gravitational Properties of Antimatter

Dragan Slavkov Hajdukovic|arXiv (Cornell University)|2006. 12. 13.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

논문은 물질과 반물질 간에 중력 반발(역중력)이 일어날 수 있으며, 이로 인해 시공간 특이점이 없는 블랙홀 붕괴가 발생하고, 사건의 지평선 내부에서 중성자와 반중성자 쌍의 진공 생성이 일어날 수 있다고 제안한다. 만약 역중력 현상이 존재한다면, 은하수와 안드로메다 은하의 초거대 블랙홀은 향후 세대의 중성자선 탐지기로 측정 가능한 검출 가능한 반중성자 플럭스를 방출할 수 있다.

ABSTRACT

The gravitational properties of antimatter are still a secret of nature. One outstanding possibility is that there is a gravitational repulsion between matter and antimatter (in short we call it antigravity). We argue that in the case of antigravity the collapse of a black hole doesn't end with singularity and that deep inside the horizon, the gravitational field may be sufficiently strong to create (from the vacuum) neutrino-antineutrino pairs of all flavours. The created antineutrinos (neutrinos) should be violently ejected outside the horizon of a black hole composed from matter (antimatter). Our rudimentary calculations suggest that both, the supermassive black hole in the centre of our Galaxy and in the centre of the Andromeda Galaxy may produce a flux of antineutrinos measurable with the new generation of one cubic kilometre neutrino telescopes. In addition, we suggest two signatures of antigravity in the case of microscopic black holes which may be eventually produced at CERN: the decay products should exhibit a strong matter-antimatter asymmetry and the Hawking radiation should not be the main mechanism for decay.

연구 동기 및 목표

• 반물질의 중력적 행동을 조사하며, 특히 물질과 반물질 간에 중력 반발(역중력)이 존재할 가능성에 초점한다.
• 역중력의 존재가 블랙홀의 내부 구조와 진화에 어떻게 영향을 미치며, 특히 시공간 특이점 형성 방지에 어떤 영향을 미치는지 탐색한다.
• 역중력 가정 하에 초거대 블랙홀 내에서 진공 쌍 생성을 통해 생성된 반중성자 플럭스의 검출 가능성 평가.
• CERN에서 생성된 미세 블랙홀에서의 역중력에 기인한 관측 가능 서식지 제안, 예를 들어 붕괴 생성물에서의 물질-반물질 비대칭성.
• 반물질가 중력 반발을 경험할 경우 허킹 복사가 블랙홀 붕괴의 주요 메커니즘으로 지배당하는 데에 도전한다.

제안 방법

• 물질과 반물질 간 중력 반발이 시공간 특이점 형성을 방지하는 비특이적 블랙홀 붕괴를 초래한다고 제안한다.
• 블랙홀 사건의 지평선 내부의 강한 중력장에서 중성자-반중성자 쌍의 진공 생성을 모델링하기 위해 곡면 시공간 내 양자장 이론을 적용한다.
• 역중력으로 인해 생성된 반중성자(물질 블랙홀에서 유래)가 반발하는 중력력으로 인해 지평선을 빠져나와 외부로 폭발적으로 방출된다고 가정한다.
• 진공 극성과 중력 에너지 밀도 기반의 간단한 계산을 통해 초거대 블랙홀에서 생성된 반중성자 플럭스를 추정한다.
• CERN의 미세 블랙홀에 대한 영향을 분석하며, 역중력 존재 시 붕괴 생성물이 강한 물질-반물질 비대칭성을 보일 것이라고 제안한다.
• 역중력 가정 하에서 허킹 복사는 억제되거나 무시 가능하며, 붕괴는 오히려 진공 쌍 생성 및 방출 메커니즘에 의해 주도된다고 주장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물질과 반물질 간 중력 반발이 블랙홀 붕괴 시 시공간 특이점 형성을 방지할 수 있는가?
• RQ2 역중력 조건 하에서 블랙홀의 강한 중력장 내 진공 쌍 생성(중성자-반중성자)의 관측 가능한 결과는 무엇인가?
• RQ3 은하수와 안드로메다 은하의 초거대 블랙홀에서 방출되는 반중성자 플럭스가 향후 세대의 입방킬로미터 중성자선 탐지기로 측정 가능한 정도로 충분한가?
• RQ4 입자 가속기인 CERN에서 생성된 미세 블랙홀의 붕괴에서 역중력의 서식지는 어떤 특징을 보일 수 있는가?
• RQ5 반물질가 중력 반발을 경험할 경우 허킹 복사가 블랙홀 붕괴의 주요 메커니즘으로 지배당하는 데에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 역중력 가정 하에서 블랙홀 붕괴는 시공간 특이점으로 이어지지 않으며, 중력 반발이 무한한 곡률 형성을 방지한다.
• 블랙홀 지평선 내부의 강한 중력장은 진공 극성 효과를 통해 모든 종류의 중성자-반중성자 쌍 생성이 가능하다.
• 물질 블랙홀에서 생성된 반중성자들은 중력 반발로 인해 지평선 외부로 폭발적으로 방출되어 검출 가능한 플럭스를 형성한다.
• 간단한 계산 결과, 은하수와 안드로메다의 초거대 블랙홀에서 방출되는 반중성자 플럭스는 향후 세대의 입방킬로미터 중성자선 탐지기의 감지 범위 내에 있을 수 있다.
• CERN에서 생성된 미세 블랙홀은 역중력 존재 시 붕괴 생성물에서 강한 물질-반물질 비대칭성을 보일 수 있다.
• 역중력 조건 하에서 허킹 복사는 블랙홀의 주요 붕괴 메커니즘이 아니며, 대신 진공 쌍 생성과 방출 메커니즘이 핵심 역할을 한다.